毕业论文-兰州轨道交通1号线杂散电流分析

摘要本文以在建的兰州轨道交通1号线为对象，研究电气化铁路杂散电流，分析其形成原因，以及对有关设备及人员的干扰和危害，为杂散电流腐蚀防护设计提供理论依据。目前，城市轨道交通供电系统多数采用走行轨回流的直流牵引供电方式，运行过程中产生的杂散电流会对地下金属结构产生严重腐蚀，影响城市轨道交通安全运营。为了保障城市轨道交通和管道的安全，必然要加强杂散电流的检测和防护。本文引用了大量文献，综述了杂散电流腐蚀的分类、特点以及杂散电流腐蚀产生的危害性和隐蔽性及其机理，并进行了理论分析，同时综述了杂散电流的检测方法和检测设备，并提出了几种合理的防护措施。加强对杂散电流腐蚀危害及防治方法的研究，对保证城市轨道基础结构、周边的管线及建筑设施的安全运行，延长它们的使用寿命具有重要的现实意义。关键词：杂散电流；轨道交通；监测；腐蚀防护

目录TOC\o"1-3"\u第1章绪论 第1章绪论1.1论文的选题背景随着国民经济的持续发展，我国各个城市为了缓和日趋严重的城市交通压力，纷纷加快了城市轨道交通的建设。同时为了保持城市的美观，供水、燃气管道以及供电和通信电缆大多数采用地下埋设或隐蔽敷设。目前，国内城市轨道交通供电系统多数采用走行轨(第三轨)回流的直流牵引供电方式，由于第三轨与大地不能做到完全绝缘，导致部分电流流入大地进而流入与地铁紧邻的钢质管道上，造成直流杂散电流腐蚀，影响城市轨道交通安全运营。所以，城轨杂散电流对这些管道和电缆的腐蚀危害以及对应的防治方法则成为一个倍受关注的问题。而且分析杂散电流的分布规律，并且设计出合理有效的防护杂散电流的方案，可以减少在地铁建设中的投资、降低地铁的运营成本。加强对杂散电流腐蚀危害及防治方法的研究，对保证城市轨道基础结构、周边的管线及建筑设施的安全运行，延长它们的使用寿命具有重要的现实意义，同时本文还可以为兰州轨道交通1号线杂散电流的腐蚀防护设计提供理论依据。1.2杂散电流的研究现状一、现在的杂散电流分析以直流为主，交流为辅。经过几十年的实践，没有发现交流牵引系统的地中电流存在明显的腐蚀作用(交流电引起的腐蚀大约为直流电的1%或更小。)，而且对其调查研究也不完善。二、现行的杂散电流的防护措施各有各的缺点，仍需改进。三、对于杂散电流在大地中的衰减方式，衰减测量以及与腐蚀关系仍然了解不深。四、目前国外的地铁管理部门及高等院校内均设置了专门的机构来研究杂散电流并取得了丰富成果。我国的地铁建设起步较晚，因而对于杂散电流的相关研究开展比较晚，目前国内只有少数几家研究机构，如中国矿业大学等。目前国际上杂散电流防护通常采用VDE0115国际标准、欧洲标准EN50122-2、EN50162和德国(VDV)501／2标准。而我国唯一杂散电流标准是1992年颁布的《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》。五、由于土壤、混凝土等的性质都不相同，现在杂散电流排流的研究和设计正在兼容性，扩展性，易操作性上进行新的探索。1.3主要设计内容本文以在建的兰州轨道交通1号线(以下简称1号线)为研究对象，沿线进行土壤采样，自行设计了杂散电流实验室模拟装置，得到了兰州地区土质条件不同影响因素与杂散电流的关系，分析了杂散电流对1号线的影响。

第2章杂散电流介绍2.1杂散电流简介杂散电流，又称迷流(StrayCurrent)，主要指不按照规定途径移动的电流，它存在于土壤中，与需要保护的设备系统没有关联。这种在土壤中的杂散电流会通过管道某一部位进入管道，并在管道中移动一段距离后在从管道中离开回到土壤中，这些电流离开管道的地方就会发生腐蚀，也因此被称为杂散电流腐蚀。杂散电流的输出点有很多，包括有外加电流阴极保护系统，DC电车系统，DC开矿以及焊接系统，高压DC、AC传输线路。在杂散电流进入管道的部分，管道为阴极而得到保护，但是过大的电流进入时，这部分管道就会发生过保护。同时杂散电流离开管道的地方就会因为失去电子而腐蚀。电气化铁路、交、直流高压输电系统等都能产生杂散电流。它对金属的损耗属于电化学腐蚀范畴。金属失去电子被氧化，介质中的其它离子得到电子被还原。2.2杂散电流的分类2.2.1直流型是主要来源于直流电气化铁路、直流电解系统、直流电焊系统、高压直流输电线路、其他管道外加的阴极保护系统的杂散电流。2.2.2交流型是主要来源于交流电气化铁路，高压交流输电线路的杂散电流。2.3杂散电流的来源杂散电流是因外界条件影响而产生的电流。其主要来源一般为：1.电气牵引网路流经金属物(指铺轨以外的金属物)或大地返回直流变电所的电流；2.动力和照明交流电路的漏电；3.大地自然电流；4.雷电和电磁辐射的感应电流等。5.由于电气化铁路、矿山、工厂、港口各种用电设备接地与漏电，在土壤当中也会形成杂散电流的循环。2.4杂散电流形成过程以单边供电为例，如图2.1所示。目前，城市轨道交通一般采用直流牵引供电，机车所需的牵引电流由牵引变电所的正极出发，通过架空接触网(轨)、受电弓向电力机车供电，然后经过走行轨(即回流轨)回流到牵引变电所的腹肌，产生回流电流。但因为钢轨不可能完全绝缘，所以牵引电流并不能全部由钢轨回流到变电所，而是有一部分电流由走行轨流入大地。这部分电流便形成了杂散电流，图2.1中，It为牵引电流，Is为杂散电流；图2.1杂散电流形成原理图2.5杂散电流腐蚀机理杂散电流的腐蚀机理如图2.2所示。图中符号含义同图2.1。图2.2杂散电流腐蚀原理图走行轨与埋地金属管线都属于电子导体，而土壤则属于离子导体，电子从A和D两个位置分别流出时，金属导体与地面的交界面为阳极；电流在C和F两个位置分别流入时，地面与金属导体的交界面为阴极，即A、B、C和D、E、F是两个串联的原电池原电池1：A(阳极)→B(土壤)→C(阴极)原电池2：D(阳极)→E(土壤)→F(阴极)根据土壤中有无氧气，腐蚀原电池的电极反应分为析氢腐蚀(如式3.1所示)和吸氧腐蚀。(如式3.2所示)在充气的电解质中，在阴极发生如下反应：4H2O+4e-在缺氧或酸性环境中，将发生如下反应，有氢气析出：2H2这两种腐蚀反应通常生成Fe(OH)2并在钢筋表面或介质中析出，部分还可以进一步被氧化形成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)2继续被介质中流的O2氧化成棕色的Fe2O3(红锈的主要成分)，而Fe(OH)2.6杂散电流的危害2.6.1对走行轨及其附件的腐蚀牵引电流通过走行轨回流到牵引变电所，如图2.2所示，由于走行轨对地不能完全绝缘，所以会有部分电流从走行轨泄漏到大地中去，此时走行轨处于腐蚀电池的阳极，很容易受到腐蚀。资料表明，轨道的杂散电流腐蚀在隧道内及岔道等地方更为明显，有些地方2～3年就需要重新换轨。走行轨及其附件的腐蚀一般都发生在与其它物体的接触面上，这些腐蚀很难从外面发现，等到发现时就需要更换钢轨等等，因此危害很大。2.6.2对钢筋混凝土结构的破坏杂散电流会腐蚀钢筋混凝土结构中的钢筋，但并不对混凝土本身产生影响。当杂散电流流入钢筋混凝土结构中时，钢筋为阴极，会发生析氢腐蚀，而产生的氢气无法逸出，所以会形成等静压力，使钢筋与混凝土脱开。当杂散电流流出钢筋时，钢筋为阳极，会发生腐蚀产生Fe(OH)2、Fe2O32.6.3对埋地管线的腐蚀目前埋地管线主要有天然气管道、自来水管、供暖管道、石油管道、电缆等，很容易聚集杂散电流，遭受腐蚀。若管线距离地铁系统或输电线路比较近时，很容易受到杂散电流的影响，几个月便会穿孔，所以在设计与建设过程中应加以重视。2.6.4对人身安全的威胁当埋地管道与高压交流输电线路接近或交叉时，交流输电线路产生的电流通过磁耦合在管道上产生感应电压，使管道对地电位不为零。若管道电压超过92V(德国标准)，可能会对操作和维护人员的人身安全构成威胁。在地铁系统中，当牵引电流回流不畅，并且造成大量的杂散电流流入大地中时，会导致钢轨与结构钢筋之间电压升高，对站台乘客的人身安全造成威胁。2.6.5影响电气设备的正常工作在杂散电流严重的地段，可能导致阴极保护电位仪报警、工作中断，也可能使某些电气设备发生误动作等，影响电气设备的正常工作。如果轨道与软枕之间绝缘损坏，将会产生很大的杂散电流，可能会烧毁排流柜。2.6.6对通信产生的影响受电弓(靴)产生的电猝发与浪涌是组成城市杂波的重要组成部分，会对周围的通信设备造成干扰。另外车辆内的接触导线是高次谐波的发射天线，其产生的敷设会污染近距离的电磁环境。2.6.7异常腐蚀当把线路引入运转库、修理库及交检库等建筑物时，如果绝缘施工不良会使钢轨与建筑物之间发生某种程度的电连接，从而使泄露电流变大，产生异常剧烈的杂散电流腐蚀。2.7杂散电流的干扰判断2.7.1直流杂散电流干扰判断1.外观判断法对埋地管道来说，如果受到直流杂散电流的腐蚀，其外观是：孔蚀倾向大，创面光滑、边缘比较整齐，有时有金属光泽，腐蚀产物似炭黑色粉末，无分层现象，有水存在且腐蚀激烈时，可以明显观察到电解过程。但是在土壤电阻率大于10000的情况下，一般很难发生杂散电流腐蚀。相比而言，自然腐蚀的外观特征是：腐蚀产物为黑色或黄色，锈层比较松弛，孔蚀倾向小，创面不光滑，边缘不整齐，清除腐蚀产物后表面粗糙。2.电气判断法由于杂散电流难以直接测量，所以对于管道是否受到杂散电流影响，目前通常是按管地电位较自然电位正向偏移值来判断，如果管地电位较自然电位正向偏移值难以测量时，可采用土壤电位梯度来判定杂散电流强弱程度。根据我国石油行业标准《埋地钢制管道直流排流保护技术标准》(SY/T0017-2006)规定：当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移20mV或管道附近的土壤电位梯度大于0.5mV/m时，则认为有直流杂散电流干扰；当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移100mV或管道附近的土壤电位梯度大于2.5mV/m时，应及时采取防护措施。欧盟标准EN50162规定可以使用管地电位较自然电位偏移值、管地电位波动、管道附近的土壤电位梯度和管道中的电流值四种方法判断是否存在杂散电流干扰。我国对直流干扰程度判断的标准如下表2.1所示。表2.1我国直流干扰程度判断标准管地电位正向偏移值(mV)直流干扰程度<20弱20~200中>200强我国对杂散电流强弱判断的标准如表2.2所示表2.2我国杂散电流强弱判断标准土壤电位梯度(mV/m)杂散电流强弱程度<0.5弱0.5~5中>5强2.7.2交流杂散电流干扰判断在《埋地钢制管道交流排流保护技术标准》SY/T0032-2000中根据土壤酸碱性来确定排流效果的指标：在弱碱性条件下，交流干扰电压应≤10V；在中性条件下，交流干扰电压≤8V；在酸性条件性，交流干扰电压≤6V。而国外则是从人身安全和管道腐蚀角度进行评价，欧洲标准CEN/TS15280使用交流电流密度、交直流电流密度比等作为评价标准。

第3章兰州轨道交通1号线杂散电流分析3.11号线工程概况1号线自西向东穿过中心城区，线路串联了城关区、七里河区、安宁区西固区四个主要功能区块。1号线西起陈官营站，途经崔家大滩、迎门滩、马滩、西客站、西关十字、东方红广场、盘旋路、省人民医院、东部市场，东至东岗镇，线路全长约26km。1号线两次穿越黄河，一次是在银滩黄河大桥附近，从马滩穿越黄河后进入安宁区；另一次是从营门滩附近穿越黄河进入西固区。1号线采用集中供电方式，两级电压制110kV/35kV，牵引网电压为DC1500V；采用架空接触网授流方式的牵引网形式。3.2模型分析由于整个地铁线路是由多个变电所为机车供电，供电的方式、列车的负荷、线路的条件等多方面的未知变量，地铁中严格意义上的杂散电流泄露的理论公式是很难推导的。为了简化所要研究的问题，且能够达到了解杂散电流分布规律的要求，可设计实验测试装置来建立地铁杂散电流分布的模型，分析杂散电流对城轨的影响。3.3实验装置及测试过程3.3.1实验装置本研究设计的实验测试装置如图3.1所示。盛装土壤的容器尺寸为：长×宽×高=0.5m×0.4m×0.6m。土壤厚度为0.5m。用长0.4m、阻值分别为0.5Ω、1.0Ω的镍铬合金电阻片平铺在土壤表面模拟图2.1中的走行轨。用型号为TH-SS3022数显直流稳压电源(量程为0~30V)模拟图2.1中的牵引变电所。Rb为电路的保护电阻，由6个阻值为2.5Ω图3.1实验室模拟装置图3.3.2测试过程由于受实验室各种条件的限制，无法直接测量土壤电阻率，只能选在室外进行测量。通过对1号线路走向的分析，最终分别对位于安宁区、七里河区、城关区的世纪大道站、西客站和五里铺站3个站点的土壤进行采样，并进行土壤电阻率和杂散电流的测量。其中土壤电阻率测试方法采用等距四电极法，杂散电流的测量则用图3所示的模拟装置进行测量。在测试过程中，为提高测试结果的可靠性，在每种工况下测量3次，以3次测量的算术平均值作为最后结果。下面给出具有代表性土质的3个站点的杂散电流测试结果。所选世纪大道站、西客站和五里铺站3个站点的土壤电阻率分别为ρ=28.33Ω∙m、ρ=34.54Ω∙m、3.4结果分析3.4.1牵引电流对杂散电流的影响实验中模拟钢轨的纵向电阻有Rt=0.5Ω和Rt=1.0Ω两种规格，机车与牵引变电所之间的距离为28cm，测试探针插入土壤的埋深h=7cm。当牵引电分别为I=0.3A、0.6A、0.9A时，对距牵引变电所不同可以看出，对于同一牵引电流，杂散电流沿着测点与牵引变电所之间的线路呈拋物线变化，在实验条件下的15cm处取得极大值；对于同一测试位置，杂散电流随牵引电流值增大而增大，而且，不同牵引电流对应的杂散电流极值所在位置基本一致。这说明对于建成的两牵引变电所之间的线路，其杂散电流汇集的位置是在一个比较狭小的范围内。由此启发我们在设计中如何合理确定牵引电流和牵引变电所之间的距离等因素，在保证机车有足够牵引力的情况下将杂散电流降到最低。据此得出结论，在兰州轨道交通建设中，可采用提高牵引网的电压、限制牵引电流的措施来降低杂散电流带来的危害。例如，1号线一期工程采用DC1500V的电压，有助于减小杂散电流。另外，除了线路末端采用单边供电外，线路中间均采用双边供电。采用双边供电的杂散电流值为单边供电的1/4。图3.2(a)世纪大道站图3.2不同牵引电流时比较图3.2(b)西客站图3.2(c)五里铺站图3.2不同牵引电流时比较图3.3比较了不同站点在相同牵引电流I=0.9A图3.3不同站点杂散电流比较由图3.3可知，当世纪大道站、西客站和五里铺站采取相同的牵引电流0.9A时，杂散电流在测量点与牵引变电所间呈现出相似的变化趋势，并且取得极值的位置也很接近。但对于同一位置，杂散电流的绝对值存在差异。其中，世纪大道站的杂散电流最大，五里铺站的杂散电流最小，前者的极值比后者的极值高出41.3%。所以，同一线路采取相同的牵引电流显然是不科学的。在设计和实际运行管理中，要综合考虑各种因素，尽可能地对不同站点间的牵引电流进行动态调节，使得受其影响的杂散电流最小。3.4.2钢轨纵向电阻对杂散电流的影响牵引电流I=0.6A，测试探针插入土壤的埋深H=7cm，机车与牵引变电所之间的距离L=28cm，钢轨纵向电阻分别为Rt=0.5Ω图3.4(a)世纪大道站图3.4(b)西客站图3.4不同钢轨纵向电阻比较(I=0.6图3.4(c)五里铺站图3.4不同钢轨纵向电阻比较(I=0.6A由图3.4可知，对于同一钢轨纵向电阻，沿着测点与牵引变电所之间的线路杂散电流呈拋物线变化，在实验条件下也是于15cm处取得极大值。在其他条件不变的情况下，随着钢轨纵向电阻的增大，杂散电流随之增大。从两种钢轨纵向电阻对应的杂散电流分布可以看出，大阻值时杂散电流的变化幅度较大，而小阻值时相对平缓。与图3.2对照，发现钢轨纵向电阻对杂散电流的影响要大于牵引电流对杂散电流的影响幅度。因此，在兰州轨道交通一期工程中，在满足对钢轨其他技术方面的要求时，应该尽量减小钢轨的纵向电阻，比如通过选择电阻率较小材质的钢轨或者横截面较大的钢轨，以便通过减小钢轨的纵向电阻来减小杂散电流的大小，从而减轻杂散电流的腐蚀危害。图3.5比较了具有相同纵向电阻的钢轨置于不同站点时杂散电流沿线变化。由图3.5可知，当钢轨纵向电阻均为1Ω时，世纪大道和西客站的杂散电流极值很接近，均高于五里铺站的极值，两极值相差约23%。所以，同一线路布置具有相同钢轨纵向电阻也是不科学的。在设计和实际运行管理中，要综合考虑各种因素，尽可能地对不同站点间的钢轨纵向电阻进行人为处理，使其杂散电流最小。图3.5不同站点杂散电流比较3.4.3杂散电流沿土壤深入的变化牵引电流I=0.6A，钢轨纵向电阻Rt=0.5Ω，机车与牵引变电所之间的距离L=28cm，当测量点与牵引变电所之间的距离Lx=15cm时，测试得到了杂散土壤深度的分布，如图3.6所示。由图3.6可知，在其他条件不变的情况下，杂散电流随土壤埋深的增加呈下降趋势，并且当深度达到一定程度时杂散电流会减小到零。因此，在兰州轨道交通一期工程中，可以通图3.6杂散电流随土壤深度变化曲线3.4.4机车与牵引变电所距离对杂散电流影响牵引电流I=1.0A，钢轨纵向电阻Rt=0.5H，测试探针插入土壤的埋深h=7cm，测量点始终保持在牵引变电所与机车的中点位置。机车与牵引变电所间距离分别为L=4cm、8cm、12cm、16cm、20cm、24cm、28cm时，对杂散电流进行测量，结果如图图3.7Is随L由图3.7可知，在其他条件不变的情况下，杂散电流随机车与牵引变电所间距离的增大而增大，且在16cm处发生了增长速率的变化，说明到达一定距离后杂散电流的增长会更快。针对这一结论，在兰州轨道交通一期工程中，在确保满足其他条件时，应尽量缩小供电区间的长度，即缩小牵引变电所之间的距离，从而削弱杂散电流的腐蚀危害。在1号线一期工程中，牵引变电所与车站合建，因此，在满足供电要求的前提下，尽量减小站间距。这样，虽然可能会增大初期投资和运营成本，但提高了安全运行的可靠性。

第4章杂散电流的防护与监测4.1杂散电流腐蚀防护措施杂散电流的防护设计应遵循“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则。4.1.1“堵”——源控法源控法就是隔离、控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及其相关的设施。根据实验经验，单边供电情况下杂散电流的公式如式4.1所示：Is杂散电流值与列车到牵引变电所距离的平方成正比；与回流走行轨纵向电阻成正比；与牵引电流成正比；与走行轨的对地过渡电阻成反比。目前地铁采用了很多有效方法，很多新方法也在不断被提出并应用于实践。1.在可能的情况下，设计时可适当缩短变电所的位置。2.减小机车取流量，牵引网采用双边供电，提高直流牵引电压。3.加强走行轨对地绝缘，增大轨道对主体结构的过渡电阻。4.保持牵引回流通路顺畅，安装均流电缆，设法降低走行轨的电阻值。5.采用隔离法，减少杂散电流的蔓延。4.1.2“排”——排流法排流法就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路，防止杂散电流继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀。目前地铁采用是智能排流柜的工作原理。如图4.1所示，直流接触器CZ用于控制排流支路是否投入使用，R、C用于抑制主回路通断时产生的尖峰脉冲，硅二极管D1用于防止逆向排流，快速熔断器Fu用于在出现短路等故障时保护排流柜电路免受损害。电流传感器M用来检测排流回路中的排流电流量的大小，然后通过排流柜控制器控制IGBT通断的占有比率，控制电流输送的大小。当IGBT关断时，排流回路中串入R1和R2，排流电流较小。正常情况下，IGBT的导通占空比将排流电流量控制在规定的数值范围内。图4.1智能排流柜原理图4.1.3其他杂散电流腐蚀防护方法1.阴极保护法。在需要保护的金属结构上外接一直流电源的负极，使得金属结构对地电位降低，从而达到防电蚀的目的。由于阴极保护需要外加一独立直流电源，其本身也是一腐蚀源，因此在工程设计中应慎用。2.阳极保护法。将被保护结构件的电位提高到钝态电位，从而阻止杂散电流腐蚀。由于地下结构设施复杂，在实际实施中是很难将被保护的设施提高到钝化电位的。4.2杂散电流腐蚀防护的监测手段设计完备的杂散电流监测系统能监视和测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。杂散电流难以直接测量，通常利用结构钢极化电压的测量来判断结构钢筋是否受到杂散电流的腐蚀作用，极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。在整体道床上埋入一个长期有效参考电极，用于测量排流网与整体道床参考电极的电压；在隧道的侧壁也埋入一个有效参考电极，测量结构钢与侧壁参考电极的电压。轨道电位是测量轨道与侧壁结构钢之间的电压。4.2.1自然本体电位U0的测量在没有杂散电流扰动的情况下，测量的地铁埋地金属对地电位分布呈现出一个稳定值，此稳定电位我们称之为自然本体电位U0。地铁一天内有几个小时的完全停止运营时间，在列车停止运行2h后，可以进行自然本体电位U0的自动测量。当存在杂散电流扰动的情况时，测量电位出现偏离，所测电位为U1，其偏移值为∆U。4.2.2半小时轨道电位最大值测量从严格意义来讲，轨道电位应是以无限远的大地为基准，而走行轨电位测量以无限远的大地是很难实现的，在测量中一般是测量走行轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。由于轨道电位的瞬时值变化很大，因此在实际测量过程中，其监测和计算的参数并不太准确。

结论本文以兰州轨道交通1号线为研究对象，设计了杂散电流实验室模拟装置，并对不同影响因素下所产生的杂散电流进行了测量。取得的主要成果如下：(1)兰州轨道交通1号线如果采用相同的牵引电流，各站点间所产生杂散电流的极值差异达到了41.3%；在不同站点铺设具有相同纵向电阻的钢轨，杂散电流也会有23%的差异。(2)在其他条件不变的情况下，杂散电流随机车与牵引变电所间距离的增大而增大；而且在16cm处发生了增长速率的变化。这说明到达一定距离后杂散电流的增长会